【正文】 Tianjin University of Technology and Education畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)果糖臥式結(jié)晶自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)天津工程師范學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)果糖臥式結(jié)晶自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)Design of the Automatic Control System of Fructose Horizontal Crystallization 專(zhuān)業(yè)班級(jí)：電氣 0402學(xué)生姓名：曹紅彥指導(dǎo)教師：儲(chǔ) 健 教授系 別：自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院2022 年 6 月摘 要目前，果糖生產(chǎn)過(guò)程中除結(jié)晶工序外的其它工序，如壓榨、清凈等都己經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。果糖結(jié)晶過(guò)程的控制操作卻由經(jīng)驗(yàn)豐富的操作工人根據(jù)個(gè)人操作技巧和果糖經(jīng)驗(yàn)來(lái)控制果糖結(jié)晶過(guò)程，降低了產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量。因此，結(jié)晶工序成為果糖生產(chǎn)過(guò)程中的決定性工序，這一工序工作結(jié)果的好壞直接決定著果糖的產(chǎn)量和質(zhì)量，從而也決定著制糖產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)此本系統(tǒng)研究了如何實(shí)現(xiàn)果糖結(jié)晶自動(dòng)化控制。本系統(tǒng)測(cè)定了果糖在不同體積分?jǐn)?shù)的乙醇溶液中的粘度，并測(cè)定了果糖在水中和在 20%的乙醇溶液中的介穩(wěn)區(qū)寬度，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)了在果糖結(jié)晶過(guò)程中結(jié)晶罐的溫度控制，從而實(shí)現(xiàn)果糖結(jié)晶的自動(dòng)控制。研究和分析，一: 本系統(tǒng)的輸入信號(hào)為糖漿的溫度，且控制系統(tǒng)的輸入是按照經(jīng)驗(yàn)曲線通過(guò) PID 來(lái)控制系統(tǒng)的溫度，以此來(lái)控制結(jié)晶罐的溫度。二：設(shè)計(jì)了以工業(yè)計(jì)算機(jī)為控制平臺(tái)，以 S7200 為核心，配以高性能的檢測(cè)儀表，其中測(cè)量溫度利用先進(jìn)的 Pt100 傳感器。采用智能控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)結(jié)晶的自動(dòng)化控制。三:根據(jù)實(shí)際情況研究果糖結(jié)晶過(guò)程控制算法的更有效方法，針對(duì)果糖控制系統(tǒng)具有非線性、時(shí)變性以及不確定性的特點(diǎn)，本文充分利用 PID 控制精度高的特點(diǎn)，將 PID 控制和 PLC 控制相結(jié)合，設(shè)計(jì)符合果糖結(jié)晶實(shí)際過(guò)程的自控系統(tǒng)，以提高蔗糖結(jié)晶的速度、縮短煮糖時(shí)間、節(jié)約能源和提高產(chǎn)品質(zhì)量。關(guān)鍵詞：果糖結(jié)晶；溫度控制；PID 控制目 錄1 緒論 ...............................................................................................................................................................1 果糖簡(jiǎn)介 .......................................................................................................................................1 國(guó)內(nèi)外結(jié)晶果糖生產(chǎn)技術(shù)概況 ...........................................................................................1 立題背景及意義 ......................................................................................錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。 研究?jī)?nèi)容 .......................................................................................................................................22 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .............................................................................................................................3 西門(mén)子可編程邏輯控制器 S7200 的 PID 應(yīng)用 .............................................................4 PT100 的特性 .............................................................................................................................10 調(diào)節(jié)閥 V2100 .............................................................................................................................1臥式結(jié)晶罐的對(duì)比曲線 .....................................................................................................133果糖冷卻結(jié)晶工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì) .........................................................................................................14 前言 ..............................................................................................................錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。 實(shí)驗(yàn)設(shè)定設(shè)計(jì) ...........................................................................................錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論 ......................................................................................................................17 冷卻結(jié)晶工藝條件的優(yōu)化設(shè)計(jì) ...........................................................................................194 S7 200與監(jiān)控組態(tài)軟件 WINCC的連接設(shè)計(jì) ...............................................................................22 WINCC 簡(jiǎn)介及產(chǎn)品分類(lèi) ...........................................................................................................22 WINCC 與西門(mén)子可編程邏輯器 S7200 之間的通訊設(shè)計(jì) ..........................................24 WINCC 的過(guò)程值歸檔設(shè)計(jì) ......................................................................................................26 控制系統(tǒng)的監(jiān)控圖像 .............................................................................................................27結(jié) 論 ........................................................................................................................................................28參考文獻(xiàn) ........................................................................................................................................................29附錄 1：S7200 的 PID程序 .................................................................................................................30致 謝 ........................................................................................................................................................35天津工程師范學(xué)院 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 緒論：煮糖結(jié)晶工序是蔗糖生產(chǎn)過(guò)程中的決定性工序，這一工序工作的結(jié)果直接決定著蔗糖的產(chǎn)量和質(zhì)量，也決定糖廠的經(jīng)濟(jì)效益。目前，蔗糖生產(chǎn)過(guò)程中除煮糖工序外的其它工序，如甘蔗壓榨、蔗汁清凈等都已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。糖廠的煮糖結(jié)晶過(guò)程是果糖結(jié)晶的生產(chǎn)過(guò)程，是一個(gè)復(fù)雜的化學(xué)和物理過(guò)程。由制糖工藝學(xué)可知，煮糖工藝關(guān)鍵就是控制糖液的溫度，使其保持在適當(dāng)?shù)姆秶?，使晶粒能均勻、整齊地生長(zhǎng)。但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，物料的純度和濃度在不斷地變化，生產(chǎn)工藝條件如真空或蒸汽壓力經(jīng)常波動(dòng)，這些因素都直接地影響了糖液的過(guò)飽和度。由于煮糖控制本身受干擾的因素很多，其時(shí)變性和非線性等差異很大，因此要想建立一個(gè)反映進(jìn)料量、進(jìn)水量與過(guò)飽和度之間精確的數(shù)學(xué)模型非常困難，以至于用經(jīng)典控制或現(xiàn)代控制的方法對(duì)這類(lèi)復(fù)雜的控制對(duì)象都難以得到滿意的效果。 在制糖工業(yè)中，走在世界前列的有丹麥、美國(guó)、法國(guó)、澳大利亞等國(guó)，這些發(fā)達(dá)國(guó)家的糖廠基本上實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化生產(chǎn)，同時(shí)也是糖的消費(fèi)大國(guó)。中國(guó)在這方面還遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。對(duì)于一個(gè)人口大國(guó)，我國(guó)年人均糖消費(fèi)量不及世界平均水平。我國(guó)制糖工業(yè)還處于一種手工操作的狀態(tài)。因此實(shí)現(xiàn)制糖工業(yè)的自動(dòng)化控制越發(fā)顯得重要。在制糖工業(yè)中，煮糖屬于最后一道生產(chǎn)環(huán)節(jié)，也是最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。而煮糖質(zhì)量的好壞，關(guān)鍵是控制糖液的過(guò)飽和度，并保持在適當(dāng)?shù)姆秶Ｄ壳皣?guó)內(nèi)很多的中小型企業(yè)的煮制工段長(zhǎng)期都是依靠富有經(jīng)驗(yàn)的工人手動(dòng)控制，一沒(méi)有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，糖的產(chǎn)量和質(zhì)量不高且生產(chǎn)效率低下。在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，壓榨、提汁、分離和分蜜這幾個(gè)工段都基本上實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，但蒸發(fā)、煮制工段長(zhǎng)期以來(lái)都是依靠富有經(jīng)驗(yàn)的工人監(jiān)守控制，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。相比之下，國(guó)外的制糖自動(dòng)化技術(shù)較為成熟，而且與之配套的設(shè)備完善。但對(duì)中小企業(yè)來(lái)說(shuō)，引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)成套設(shè)備雖然能夠?qū)崿F(xiàn)制搪過(guò)程的自動(dòng)化，提高效率。但是極大的提高了制糖的成本，不能有效的利用原有的設(shè)備和發(fā)揮我國(guó)勞動(dòng)力優(yōu)勢(shì)，因此，在原有設(shè)備基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng)化，獲得一種對(duì)煮糖過(guò)程實(shí)行在線檢測(cè)和動(dòng)態(tài)調(diào)整的控制系統(tǒng)是非常必要而有意義的。 本研究工作以實(shí)現(xiàn)煮糖工序的自動(dòng)化生產(chǎn)為目標(biāo)，利用國(guó)外先進(jìn)的溫度傳感器對(duì)蔗糖溫度進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量，結(jié)合其它參數(shù)，利用微機(jī)對(duì)煮糖結(jié)晶過(guò)程進(jìn)行控制。并根據(jù)實(shí)際情況研究蔗糖結(jié)晶過(guò)程控制算法的更有效方法，利用符合煮搪實(shí)際過(guò)程的模糊 PID 調(diào)節(jié)器，以提高果糖結(jié)晶的速度、縮短煮糖時(shí)間、節(jié)約能源和提高產(chǎn)品質(zhì)量。天津工程師范學(xué)院 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 2綜觀國(guó)際制糖工業(yè)，從原料預(yù)處理、提汁、澄清到蒸發(fā)階段，早已實(shí)現(xiàn)了連續(xù)化和自動(dòng)化生產(chǎn)，唯獨(dú)結(jié)晶工段大多數(shù)仍沿用間歇法生產(chǎn)，自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜。而結(jié)晶過(guò)程若能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，可對(duì)全廠的生產(chǎn)起穩(wěn)定作用。煮糖時(shí)間可縮短 35%一40%，可大大減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，還可節(jié)省人力，并且煮出的糖膏質(zhì)量好，晶粒均勻。間歇罐配備自動(dòng)控制后，一般 1 個(gè)人可操作 3 個(gè)以上結(jié)晶罐。德國(guó)某糖廠采用自動(dòng)煮糖系統(tǒng)后，2 個(gè)人可操作 13 臺(tái)煮糖罐。結(jié)晶過(guò)程自動(dòng)化是一個(gè)包括有真空度、粘稠度、母液過(guò)飽和度、蒸汽壓力、液位等的調(diào)節(jié)及結(jié)晶過(guò)程的程控(或自控)、顯示、遠(yuǎn)程操作等復(fù)合控制系統(tǒng)。煮糖中要控制好起晶、養(yǎng)晶、濃縮操作，就必須充分掌握煮糖罐設(shè)備性能、原料及糖膏的濃度、純度、溫度、真空度等條件。但目前有些糖廠的煮糖連真空計(jì)、溫度計(jì)都?xì)埲辈蝗Ｓ行┲筇菐煾祵?duì)自己使用的原料純度和錘度都重視不夠。沒(méi)有使用科學(xué)的儀器來(lái)控制，只依靠采樣觀察糖漿的粘度、糖膏在玻璃板上的流動(dòng)和晶粒的情況、視鏡上液體的拋動(dòng)等現(xiàn)象憑肉眼看和手指的感覺(jué)等來(lái)操作。這樣，經(jīng)驗(yàn)豐富的煮搪師傅可準(zhǔn)確地控制操作，但這樣的操作技術(shù)只可意會(huì)不可言傳，學(xué)習(xí)費(fèi)時(shí)，操作技術(shù)因人而異，差別相當(dāng)大，先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)和成績(jī)很難鞏固推廣，煮糖人才的培養(yǎng)也受到限制。人們根據(jù)蔗糖結(jié)晶理論，在原有煮搪方法的基礎(chǔ)上，采用了一種科學(xué)的煮糖法一“五一”煮糖法。 “五一”煮糖法是廣東糖業(yè)公司于 1953 年組織東莞、順德、汕頭和揭西四大糖廠的煮糖工人和技術(shù)工人，以理論和先進(jìn)操作經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合創(chuàng)造出來(lái)的一種有科學(xué)理論根據(jù)、使用科學(xué)的儀器來(lái)控制生產(chǎn)的煮糖方法。但這個(gè)方法因使用的儀器不夠完善，控制需要人力較多，控制的要求比較嚴(yán)格，操作比較煩瑣。因此如何利用近代較先進(jìn)的過(guò)飽和度儀器代替“五一”煮糖法所使用的簡(jiǎn)單指示儀器，從而使糖廠能恢復(fù)使用準(zhǔn)確的晶核起晶法和過(guò)飽和度儀器來(lái)控制養(yǎng)晶，并結(jié)合微機(jī)的應(yīng)用，使煮糖過(guò)程儀表化、自動(dòng)化被提上日程。本論文采取冷卻結(jié)合溶